Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Design, Fabrikasjon, og eksperimentell karakterisering av Plasmonic Photoconductive Terahertz Sendere

Published: July 8, 2013 doi: 10.3791/50517
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Electrical Engineering and Computer Science Department, University of Michigan

Summary

Vi beskriver metoder for design, fabrikasjon og eksperimentell karakterisering av plasmonic fotoledende emittere, som tilbyr to størrelsesordener høyere terahertz effektnivåer sammenlignet med konvensjonelle fotoledende emittere.

Abstract

I denne videoen artikkelen presenterer vi en detaljert demonstrasjon av en svært effektiv metode for generering terahertz bølger. Vår teknikk er basert på photoconduction, som har vært en av de mest brukte teknikker for terahertz generasjon 1-8. Terahertz generasjon i en fotoledende emitter oppnås ved å pumpe et superraskt fotoleder med en pulserende eller heterodyned laser belysning. Den induserte photocurrent, som følger omhylling av pumpen laser, blir rutet til en terahertz utstrålende antenne koblet til fotokonduktør kontakt-elektroder for å generere terahertz stråling. Selv om Quantum effektiviteten av en fotoledende emitter kan teoretisk nå 100%, har relativt lang transport veilengder av foto-genererte bærere til kontakten elektroder av konvensjonelle fotoledere sterkt begrenset deres quantum effektivitet. I tillegg transportøren screening effekt og termisk nedbryting strengt begrense maksimal effekt power av konvensjonelle fotoledende terahertz kilder. For å møte de kvante effektivitet begrensninger av konvensjonelle fotoledende terahertz emittere, har vi utviklet en ny fotoledende emitter konsept som inkorporerer en plasmonic kontakt elektrode konfigurasjon for å tilby høy kvante-effektivitet og lynraske drift samtidig. Ved å bruke nano-skala plasmonic kontakt elektroder, vi redusere den gjennomsnittlige foto-genererte carrier transport vei til fotokonduktør kontakt elektroder sammenlignet med konvensjonelle fotoledere ni. Vår metode gjør det også mulig å øke fotoleder aktivt område uten en betydelig økning i den kapasitive lasting til antennen, øker den maksimale terahertz-stråling ved å hindre at transportøren screening effekt og termisk nedbryting ved høye optiske pumpe krefter. Ved å innlemme plasmonic kontakt elektroder, viser vi styrke den optiske til terahertz makt konvertering effektivitet av en konvensjonell lysledende terahertz emitter med en faktor på 50 10.

Introduction

Vi presenterer en roman fotoledende terahertz emitter som bruker en plasmonic kontakt elektrode konfigurasjon for å forbedre den optiske til terahertz konvertering effektivitet av to størrelsesordener. Vår teknikk adresserer de viktigste begrensningene i konvensjonelle fotoledende terahertz emittere, nemlig lav sendeeffekt og dårlig energieffektivitet, som stammer fra den iboende kompromisset mellom høy Quantum effektivitet og lynraske drift av konvensjonelle fotoledere.

En av de viktigste nyheter i vårt design som førte til denne leapfrog ytelsesforbedring er å utforme en kontakt elektrode konfigurasjon som samler et stort antall foto-genererte bærere i umiddelbar nærhet til kontakt elektrodene, slik at de kan samles i en sub- picosecond tidsskala. Med andre ord, er kompromisset mellom fotolederen ultrafast drift og høyt kvante effektivitet reduseres ved romlig manipulering av den foto-slekteneterte bærere. Plasmonic kontakt elektroder tilby denne unike evne ved å (1) lyset innesperring i nanoskala enheter aktive områder mellom plasmonic elektroder (utover diffraksjon grensen), (2) ekstraordinære lys ekstrautstyr på metall kontakt og foto-absorberende halvleder 10 grensesnitt, 11.. En annen viktig egenskap av vår løsning er at det plass til store fotokonduktør aktive områder uten en betydelig økning i den parasittiske lasting til terahertz utstrålende antenne. Utnytte store fotokonduktør aktive områder gjør det mulig å dempe carrier screening effekt og termisk nedbryting, som er den ultimate begrensninger for maksimal stråling strøm fra konvensjonelle fotoledende emittere. Denne videoen artikkelen er konsentrert på de unike egenskapene til vår presenterte løsningen ved å beskrive de styrende fysikk, numerisk modellering og eksperimentell verifikasjon. Vi eksperimentelt demonstrere 50 ganger høyere terahertz krefter fra en plasmonic photoconductive emitter i sammenligning med et lignende fotoledende emitter med ikke-plasmonic kontakt-elektroder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Plasmonic Photoconductive Emitter Fabrication

  1. Dikte plasmonic rister.
    1. Rens halvlederskive ved å dyppe i aceton (2 min), fulgt av isopropanol (2 min), og skylling med avionisert vann (10 sek).
    2. Tørk prøven med nitrogen og varme den på en varmeplate ved 115 ° C i 90 sekunder for å fjerne gjenværende vann.
    3. Spin Microchem 950K PMMA A4 på prøven ved 4000 rpm i 45 sek. Pre-bake resisten på en varmeplate ved 180 ° C i 3 min.
    4. Laste prøven til et elektron litografi verktøy (JEOL JBX-6300-FS). Utsett plasmonic gitter mønster på en base dose rundt 650 μC / cm 2, ved hjelp av en 100 kV akselerasjon spenning.
    5. Develop PMMA ved å dyppe prøven i et MIBK: IPA-blanding 01:03 i 90 sekunder. Umiddelbart overføre prøven til en oppløsning av ren isopropanol i 60 sek.
    6. Skyll prøven med avionisert vann i 10 sek og deretter tørke prøven med nitrogen.
    7. Laste prøven inn i en plasma stripper (JA-CV200RFS). Descum prøven med 30 W RF power ved 30 ° C med en 100 SCCM O 2 flow rate for 10 sek.
    8. Fjern overflate oksyd ved å dyppe i et HCl: H 2 0 3:10 blanding i 30 sek. Umiddelbart overføre prøven til et kaskade skylling med avionisert vann i 4 minutter.
    9. Overføre prøven til et begerglass med avionisert vann for å minimalisere eksponering for atmosfærisk oksygen før metallavsetting.
    10. Ta beger inneholdende prøven i deionisert vann til en metall fordamper (Denton SJ-20). Ventilere kammeret og deretter fjerne, tørk og legg prøven inn i kammeret (disse trinnene bør følges uten avbrudd for å hindre overflaten oksyddannelse på prøven).
    11. Pump kammeret til et trykk under 2x10 -6 torr. Innskudd Ti / Au (50/450 A).
    12. Ventilere kammeret og ta prøven.
    13. For å lift-off det avsatte metall, plasseres prøven på en holder i en Teflonbeger av aceton, dekker, og la over natten. Avdekke begeret, legg den i en ultrasonisk agitator, og vente til all uønsket metall fjernet (typisk 30 sek).
  2. Innskudd SiO 2 passivisering.
    1. Rengjør prøven som i trinn 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Laste prøven i en plasma-enhanced kjemisk damp deponering verktøy (GSI PECVD). Innskudd 1500 Å av SiO 2 ved 200 ° C.
  3. Åpen kontakt VIAS gjennom SiO 2.
    1. Rengjør prøven som i trinn 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Snurr på HMDS ved 4000 rpm i 30 sek. Snurr på Megaposit SPR 220 til 3,0 fotoresist på 4000 rpm i 30 sek. Pre-bake resisten på en varmeplate ved 115 ° C i 90 sek.
    3. Laste prøven og maske plate inn projeksjon litografi stepper (GCA autostep 200). Rett prøven og utsett.
    4. Post-bake den eksponerte fotoresist på en varmeplate ved 115 ° C i 90 sek.
    5. Utvikle motstå i AZ 300 MIF utvikler for 60 sek.
    6. Umiddelbart bevege prøven til en kaskade skylling med avionisert vann i 4 minutter. Tørk prøven med nitrogen.
    7. Laste prøven i en reaktiv ion etcher (LAM 9400). Etch SiO 2 bruker en TCP RF power på 500 W, en skjevhet RF effekt på 100 W, 15 SCCM av SF6-, 50 SCCM av C 4 F 8, 50 SCCM av han, 50 SCCM av Ar for 80 sek.
    8. Fjern mesteparten av fotoresist ved å plassere prøven i aceton (5 min), fulgt av isopropanol (2 min). Skylling i deionisert vann (10 sek). Tørk med nitrogen.
    9. Fjern gjenværende fotoresist ved å laste prøven i en plasma stripper (JA-CV200RFS). Fjern fotoresist bruker 800 W RF power ved 30 ° C med en 100 SCCM O 2 flow rate for 5 min.
  4. Dikte antenner og bias linjer.
    1. Gjenta trinn 1.3.1 - 1.3.6 til mønster antenner og bias linjer.
    2. Gjenta trinn 1.1.8 - 1.1.9 for å fjerne overflaten oksid.
    3. Ta beger inneholdende prøven ogavionisert vann til et metall fordamper (Denton SJ-20).
    4. Ventilere kammeret og deretter raskt fjerne, tørke, og legg prøven inn i kammeret.
    5. Pump kammeret til et trykk under 2x10 -6 torr. Innskudd Ti / Au (10/4, 000 a).
    6. Ventilere kammeret og ta prøven.
    7. Gjenta trinn 1.1.13 til lift-off det deponerte metall.
  5. Pakk prøven.
    1. Lim kantene på en 12 mm diameter hyper-hemispherical silisium linse til en 2 tommers aluminium skive med 8 mm hull.
    2. Lim en PCB bord med metall spor, som man kan lett loddetinn, til aluminium vaskemaskin.
    3. Monter fabrikkerte plasmonic fotoledende terahertz emitter prototyper på silisium linsen med tynn epoxy.
    4. Wire obligasjonslån enheten kontakt pads til et PCB bord limt på samme aluminium vaskemaskin.
    5. Lodd ledningene til metall spor på PCB bord.
    6. Koble enheten kontakt pads til en parametrisk analysator (Hewlett Packard 4155A) bruke ledninger loddet til de tilsvarende pads av PCB styret for testformål.

2. Plasmonic Photoconductive Emitter karakterisering

  1. Enhet justering.
    1. Plasser aluminium vaskemaskin bærer plasmonic fotoledende terahertz emitter prototyper på en rotasjon mount og tett fokus den optiske pumpe fra Ti: Sapphire mode-låst laser (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) på det aktive området av hver enhet.
    2. Juster rotasjon festet slik at det elektriske felt på den optiske pumpen er innrettet for effektiv eksitasjon av overflate plasmon bølger (normal til plasmonic gitter).
    3. Bruk den parametriske analysator å samtidig bruke skjevhet spenning til hver enhet og måle indusert elektrisk strøm i hver enhet. Bekreft den optimale optiske pumpe justering og polarisering justering ved å maksimere photocurrent av hver enhet under test.
  2. Utgangseffekt tiltakrier.
    1. Bruk en optisk chopper (Thorlabs MC2000) å modulere den optiske pumpen fra mode-låst pumpe laser hendelsen på hver enhet.
    2. Måle utgangseffekt på de plasmonic fotoledende terahertz emitter prototyper ved hjelp av en pyroelectric detektor (Spectrum Detector, Inc. SPI-A-65 THz).
    3. Koble utgangen av pyroelectric detektoren til en innlåsningsforsterkeren (Stanford Research Systems SR830) med optisk chopper referanse frekvens for å gjenopprette terahertz wattdata ved lave støynivåer.
  3. Stråling spektralkarakterisering.
    1. Start med et Ti: Sapphire mode-låst laser og bruke en strålesplitter å dele produksjonen av mode-låst laser inn i en pumpe bjelke og en sonde strålen.
    2. Bruk en elektrooptisk modulator (Thorlabs EO-AM-NR-C2) til å modulere den optiske strålen i pumpen bane. Fokus pumpen stråle på den aktive delen av fotoledende emitter under test for å generere terahertz stråling.
    3. Collimateden genererte terahertz strålen ved hjelp av en første polyetylen sfærisk linse. Fokuser kollimerte terahertz strålen ved hjelp av et sekund polyetylen sfærisk linse.
    4. Før fokus for terahertz bjelke, kombinere kollimerte terahertz bjelke med sonden optiske strålen ved hjelp av en Ito belagt glass filter.
    5. Plasser en 1 mm tykk, <110> ZnTe krystall montert på en rotasjon scenen på den kombinerte fokus for den optiske og terahertz strålen.
    6. Sett en styrbar optisk forsinkelseslinje i den optiske sonden banen ved hjelp av en motorisert lineær fase (Thorlabs NRT100) for å variere tidsforsinkelsen mellom de optiske og terahertz pulser samvirkende inne i ZnTe krystall.
    7. Ved hjelp av en halv-waveplate i sonden banen, roterer polarisasjonen av den optiske sonden for å være i 45 ° vinkel i forhold til terahertz polarisasjonsretningen.
    8. Bruk en kvart waveplate etter ZnTe krystall, konvertere den optiske strålen polarisering i sirkulær polarisering.
    9. Splitte circularly polarisert optiske strålen i to grener av en Wollaston prisme. Måle den optiske strålen makten i hver gren med to balanserte detektorer koblet til en lock-forsterker.
    10. Koble den motoriserte forsinkelse linje og innlåsningsforsterkeren til en datamaskin. Skriv en Matlab skript for å iterativt flytte plasseringen av den motoriserte forsinkelse linje, pause, og les signal størrelsesorden fra innlåsningsforsterkeren.
    11. Konverter scenen stilling til den tid-domenet, ved å dele den totale optiske forsinkelse lengde av lysets hastighet, fulgt av en diskret Fourier-transform (MATLAB) for å oppnå frekvens-domene data.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For å demonstrere potensialet i plasmonic elektroder for terahertz strøm ekstrautstyr, fabrikkert vi to terahertz emittere: vanlige (Figur 1a) og plasmonic (Figur 1b) lysledende emitter innlemme plasmonic kontakt elektroder for å redusere carrier transport ganger å kontakte elektroder. Begge design består av en ultrarask fotoleder med 20 pm gap mellom anoden og katoden kontakter, forbundet med en 60 um lang sløyfe-antenne med maksimum og minimum bredder på 100 mikrometer og 30 mikrometer, henholdsvis, fremstilt på samme LT-GaAs substrat. Den plasmonic lysledende emitter har to nanoskala plasmonic kontakt rister inn i input-porten på den bowtie antenne. Utformingen strategi for optimal plasmonic kontaktelektrode konfigurasjon er å maksimere optisk overføring pumpe inn i foto-absorberende substrat, samtidig som avstanden mellom plasmonic elektroder for å minimalisere den gjennomsnittlige photo-generert carrier transport banelengde på kontaktflatene elektroder. Vi bruker en multi-fysikk finite-element Solver (COMSOL) for å estimere responsen fotolederne med de konstruerte plasmonic kontakt elektroder til en hendelse optisk pumpe. For dette formål er den foto-genererte bærer tetthet avledet fra den beregnede optiske intensiteten i foto-absorberende substrat, og kombinert med bias elektriske feltdata i den klassiske drivhull diffusjon modell for å beregne den induserte photocurrent 9.. Metaller med sterke plasmonic egenskaper ved pumpen optisk bølgelengde er å foretrekke, ettersom de gjør det mulig stramt innesperring av den optiske pumpen et metall-grenseflate og således tilby korte foto-genererte carrier transportbane lengder til de kontakt-elektroder. For proof-of-concept plasmonic fotoledende emitter, har vi designet en plasmonic rist med 100 nm Au bredde, 100 nm avstand, og 50 nm høyde, noe som tillater overføring av mer enn 70% av en 800 nm optisk Pump gjennom nanoskala gitter inn i foto-absorberende substrat 11, 12.. Hendelsen optiske pumpe fra et Ti: safir laser med en sentral bølgelengde på 800 nm, 76 MHz repetisjonsrate, og 200 fsec pulsbredde ble tett fokusert på hver fabrikert enhet (figur 2a) og plassert i nærheten av anoden kontaktelektrode for å maksimere den utstrålte makt 13-15. For å maksimere den utstrålte effekt for den konvensjonelle fotoledende emitter, var den optiske elektrisk felt orientert til å spenne over gapet mellom anoden og katoden kontakt-elektroder. For plasmonic fotoledende emitter, ble det elektriske felt orientert vinkelrett i forhold til metall rister. Den genererte terahertz strøm fra hver fotoledende emitter ble målt ved hjelp av en pyroelectric detektor. Figur 2b viser den målte terahertz stråling fra plasmonic og konvensjonelle terahertz emittere, elektrisk partisk ved 40 V, under ulike optiske pumpe krefter. Det jegnskal kurven viser den tilsvarende photocurrent. En stråling makt forbedring på mer enn 33 ble observert fra plasmonic fotoledende emitter i 0-25 mW optisk pumpe spenningsområdet. Denne betydelige stråling makt ekstrautstyret er på grunn av høyere photocurrent nivåer som genereres ved ansettelse plasmonic kontakt elektroder. Figur 2c viser den målte terahertz stråling versus samlet photocurrent for plasmonic og konvensjonelle terahertz emittere. Dataene som er representert i plottet omfatter ulike skjevhet spenninger (10-40 V) under ulike optiske pumpe krefter (5-25 MW). Datapunktene er alle kurve-montert på samme linje med en helling på 2, noe som bekrefter den kvadratiske avhengighet av strålingen makt på den induserte photocurrent og det faktum at alle andre operasjonelle forhold (inkludert antenne spesifikasjoner) er de samme for konvensjonelle og plasmonic fotoledende emitter prototyper. Figur 2d viser den terahertz makt ekstrautstyrement faktor defineres som forholdet mellom den strøm som avgis av terahertz plasmonic terahertz emitteren til den konvensjonelle terahertz emitter. Ved lave optiske pumpe styrkenivå og en bias spenning på 30 V, utgangseffekt ekstrautstyr faktorer opptil 50 overholdes. Forbedringen faktoren synker litt ved høyere optiske pumpe styrkenivå og høyere skjevhet spenninger. Dette kan forklares ved den transportør screening effekt, bør som påvirker plasmonic fotolederen mer enn den konvensjonelle fotolederen, idet man genererer mer photocurrent og separering av et større antall av elektron-hull par. Til slutt, den maksimale terahertz effekt målt fra plasmonic og konvensjonelle terahertz emittere i henhold til en 100 mW optisk pumpe (figur 2e). Bias spenning på hver enhet er økt til det punktet av feil med enheten. Ved maksimal produserte plasmonic lysledende emitter en gjennomsnittlig effekt på 250 μW, sammenlignet med 12 μW av den konvensjonelle fotoledende emitter10.

Figur 1
Figur 1. Prinsippskisse og drift begrepet fotoledende terahertz emittere. (A) En konvensjonell fotoledende terahertz emitter. (B) En plasmonic lysledende terahertz emitter innlemme plasmonic kontakt elektroder. Klikk her for å se større figur .

Figur 2
Figur 2. Sammenligning av konvensjonelle og plasmonic fotoledende terahertz emittere 10. (A) Fabricated enhet bilder. (B) Målt terahertz stråling fra plasmonic og konvensjonelle terahertz emittere, elektrisk partisk ved 40 V, under ulike optiske pumpe krefter. Det innfelte kurven viser corresponding photocurrent. (c) Målt terahertz stråling versus samlet photocurrent for plasmonic og konvensjonelle terahertz emittere. De data som er representert i plottet inkluderer forskjellige skjevhet spenninger (10-40 V) under ulike optiske pumpe krefter (5-25 mW). (D) Relativ terahertz kraft forsterkning definert som forholdet mellom den terahertz strøm som sendes ut av emitteren til plasmonic terahertz den konvensjonelle terahertz emitter. (e) Maksimal terahertz effekt målt fra plasmonic og konvensjonelle terahertz emittere i henhold til en 100 mW optisk pumpe. Bias spenning på hver enhet er økt til det punktet av feil med enheten. Ved maksimal produserte plasmonic lysledende emitter en gjennomsnittlig effekt på 250 μW, sammenlignet med 12 μW av den konvensjonelle fotoledende emitter. Klikk her for å se større figur .

Figur 3. . Spektrale egenskapene til plasmonic fotoledende emitter stråling 10 strålingsspektrumet måles i respons til en 200 fsec optisk puls fra modus-låst Ti: safir laser med bølgelengde 800 nm sentral og 76 MHz repetisjonsrate i en tid-domene terahertz spektroskopi med oppsett elektro-optisk gjenkjenning. (a) utstrålt effekt i tidsdomenet. (b) utstrålt effekt i frekvensdomenet. De observerte stråling toppene rundt 0,35 og 0,55 THz THz er forbundet med de resonanstopper av anvendt sløyfe-antenne, og strålingen topp rundt 0,1 THz er forbundet med den topp resonans av dipol antenne dannet av bowtie antenne skjevhet linjer. klikk her se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne videoen artikkelen presenterer vi en roman fotoledende terahertz generasjon teknikk som bruker en plasmonic kontakt elektrode konfigurasjon for å forbedre den optiske til terahertz konvertering effektivitet av to størrelsesordener. Den betydelige økningen i terahertz-stråling strøm fra de fremlagte plasmonic fotoledende emittere er svært verdifull for fremtidig høy følsomhet terahertz bildebehandling, spektroskopi og spectrometry systemer som brukes for avansert kjemisk identifikasjon, medisinsk bildebehandling, biologisk sensing, astronomi, atmosfærisk sensing, sikkerhet screening, og material karakterisering.

Fokuset i denne videoen artikkelen har vært demonstrasjonen av virkningen av plasmonic elektroder i å forbedre den induserte photocurrent i lynraske fotoledere og utstrålt terahertz kraft fra fotoledende terahertz emittere. Således, er valget av den fotoledende emitter arkitektur, terahertz utstrålende antenne, og skjevhet matingi demonstrasjonen vår har vært vilkårlig, og den forbedring konseptet kan likeledes påføres for å øke den strålingseffekt fra fotoledende terahertz emittere med en rekke terahertz antenner med og uten interdigitatert kontakt-elektrodene så vel som store-området fotoledende terahertz strålere i både pulset og kontinuerlig -bølge drift. I denne forbindelse, kan utgangseffekten av våre prototyp enheter bli ytterligere forbedret gjennom bruk av resonans hulrom 3, 16, store enheter aktive områder 17-22, og antenner med høyere stråling motstand og båndbredde 23, 24. Dessuten kan beskrives quantum effektivisering mekanisme i plasmonic fotoledere bli brukt til å forbedre responsivity og følsomhet av fotoledende terahertz detektorer, samt 25-27.

Det bør bemerkes at den mest kritiske trinn for gjennomføring høy ytelse plasmonic fotoledende terahertz emittere er som følTerning plasmonic kontakt elektroder. På den ene siden har økt optisk pumpe absorpsjon og dermed høyere optisk-til-terahertz konvertering effektivitet kan oppnås ved bruk av høyere aspekt-forhold som er plasmonic kontakt-elektroder. På den annen side er løfting av tykke metalliske elementer med nano-skala funksjonen størrelser utfordrende siden det krever motstå tykt lag, og derfor er det høyeste sideforholdet plasmonic kontakt-elektroder er begrenset til oppløsningen av eksisterende elektron-strålen litografi verktøy.

Vi mener at vårt arbeid vil utvikle seg i nær fremtid å presse den optiske til terahertz konvertering effektivitet av plasmonic fotoledende emittere med mer enn tre størrelsesordener. I denne forbindelse, tillater bruk av høye størrelsesforhold plasmonic kontakt elektroder innebygd i foto-absorberende halvleder 28-30 lynraske transport av majoriteten av photocarriers til fotokonduktør kontakt elektroder og deres effektive contribution til terahertz generasjon. Bruk av høye størrelsesforhold plasmonic kontakt-elektroder innebygd i den foto-absorberende halvleder eliminerer også behovet for bruk av korte transportør levetid halvledere, som brukes for å undertrykke likestrømmen av fotoledende emittere (generelt) og for å hindre uønskede destruktive interferenser i kontinuerlige wave fotoledende emittere (i spesifikke). Eliminerer behovet for å bruke korte carrier levetid halvledere, som har lavere carrier mobilitet og termiske ledningsevnen 31 sammenlignet med høy kvalitet krystallinske halvledere, ville ha en viktig innflytelse på fremtidig høy effekt og høy effektivitet fotoledende terahertz emittere. Det kan også føre til en ny generasjon av fotoledende terahertz emittere basert på foto-absorberende halvledere med unik funksjonalitet (f.eks Graphene-baserte fotoledende emittere som drar nytte av overlegen carrier mobilitet eller Gan-baserte fotoledende emitters som har nytte av overlegen varmeledningsevne).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å takke Picometrix for å gi LT-GaAs underlaget og ønsker å takke for den økonomiske støtten fra Michigan Space Grant Consortium, DARPA Young Faculty Award administreres av Dr. John Albrecht (kontrakt # N66001-10-1-4027), NSF KARRIERE Award administreres av Dr. Samir El-Ghazaly (kontrakt # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award administreres av Dr. Paul Maki (kontrakt # N00014-12-1-0947), og ARO Young Investigator Award administreres av Dr. Dev Palmer (kontrakt # W911NF-12-1-0253).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagent
Polymethyl Methacrylate (PMMA) MicroChem 950K PMMA A4
Hexamethyldisilazane (HMDS) Shin-Etsu MicroSI MicroPrime HP Primer
Optical Photoresist Dow Chemical Megaposit SPR 220-3.0
Photoresist Developer AZ Electronic Materials AZ 300 MIF Developer
Methyl Iso-Butyl Keytone (MIBK) Avantor Performance Materials 9322-03
Equipment
Ti:Sapphire Mode-Locked Laser Coherent MIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–lectric Detector Spectrum Detector SPI-A-65 THz
Electron-Beam Lithography Tool JEOL JBX-6300-FS
Plasma Stripper Yield Engineering Systems YES-CV200RFS
Metal Evaporator Denton Vacuum SJ-20
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Tool GSI GSI PECVD System
Projection Lithography Stepper GCA AutoStep 200
Reactive Ion Etcher LAM Research 9400
Parameter Analyzer Hewlett Packard 4155A
Optical Chopper Thorlabs MC2000
Lock-in Amplifier Stanford Research Systems SR830
Electrooptic Modulator Thorlabs EO-AM-NR-C2
Motorized Linear Stage Thorlabs NRT100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Preu, S., Dohler, G. H., Malzer, S., Wang, L. J., Gossard, A. C. Tunable, continuous-wave terahertz photomixer sources and applications. J. Appl. Phys. 109, 061301 (2011).
  2. Bjarnason, J. E., Chan, T. L. J., Lee, A. W. M., Brown, E. R., Driscoll, D. C., Hanson, M., Gossard, A. C., Muller, R. E. ErAs:GaAs photomixer with two-decade tunability and 12 μW peak output power. Appl. Phys. Lett. 85, 3983-3985 (2004).
  3. Peytavit, E., Lepilliet, S., Hindle, F., Coinon, C., Akalin, T., Ducournau, G., Mouret, G., Lampin, J. -F. Milliwatt-level output power in the sub-terahertz range generated by photomixing in a GaAs photoconductor. Appl. Phys. Lett. 99, 223508 (2011).
  4. Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  5. Roehle, H., Dietz, R. J. B., Hensel, H. J., Böttcher, J., Künzel, H., Stanze, D., Schell, M., Sartorius, B. Next generation 1.5 μm terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers. Opt. Express. 18, 2296-2301 (2010).
  6. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  7. Park, S. -G., Jin, K. H., Yi, M., Ye, J. C., Ahn, J., Jeong, K. -H. Enhancement of Terahertz Pulse Emission by Optical Nanoantenna. ACS NANO. 6, 2026-2031 (2012).
  8. Auston, D. H., Cheung, K. P., Smith, P. R. Picosecond photocoducting Hertzian dipoles. Appl. Phys. Lett. 45, 284-286 (1984).
  9. Berry, C. W., Jarrahi, M. Terahertz generation using plasmonic photoconductive gratings. New Journal of Physics Focus Issue on Terahertz Plasmonics. 14, 105029 (2012).
  10. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Radiation Enhancement in Photoconductive Terahertz Emitters by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. arXiv. , 1209.1680v1 (2012).
  11. Berry, C. W., Jarrahi, M. Ultrafast Photoconductors based on Plasmonic Gratings. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  12. Berry, C. W., Jarrahi, M. Plasmonically-enhanced localization of light into photoconductive antennas. Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics. , CFI2 (2010).
  13. Berry, C. W., Jarrahi, M. Principles of impedance matching in photoconductive antennas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz. , (2012).
  14. Ralph, S. E., Grischkowsky, D. Trap-enhanced electric fields in semi-insulators: The role of electrical and optical carrier injection. Appl. Phys. Lett. 59, 1972 (1991).
  15. Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  16. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  17. Jarrahi, M. Terahertz radiation-band engineering through spatial beam-shaping. Photonic Technology Letters. 21, 2019620 (2009).
  18. Jarrahi, M., Lee, T. H. High power tunable terahertz generation based on photoconductive antenna arrays. Proc. IEEE International Microwave Symposium. , 391-394 (2008).
  19. Beck, M., Schafer, H., Klatt, G., Demsar, J., Winnerl, S., Helm, M., Dekorsy, T. Impulsive terahertz radiation with high electric fields from an amplifier-driven large-area photoconductive antenna. Opt. Express. 18, 9251-9257 (2010).
  20. Hattori, T., Egawa, K., Ookuma, S. I., Itatani, T. Intense terahertz pulses from large-aperture antenna with interdigitated electrodes. Jpn. J. Appl. Phys. 45, L422-L424 (2006).
  21. Kim, J. H., Polley, A., Ralph, S. E. Efficient photoconductive terahertz source using line excitation. Opt. Lett. 30, 2490-2492 (2005).
  22. Dreyhaupt, A., Winnerl, S., Dekorsy, T., Helm, M. High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor. Appl. Phys. Lett. 86, 121114 (2005).
  23. Brown, E. R., Lee, A. W. M., Navi, B. S., Bjarnason, J. E. Characterization of a planar self-complementary square-spiral antenna in the THz region. Microwave Opt. Technol. Lett. 48, 524-529 (2006).
  24. Huo, Y., Taylor, G. W., Bansal, R. Planar log-periodic antennas on extended hemishperical silicon lenses for millimeter/submillimeter wave detection applications. Int. J. Infrared and Millimeter Waves. 23, 819 (2002).
  25. Heshmat, B., Pahlevaninezhad, H., Pang, Y., Masnadi-Shirazi, M., Lewis, R. B., Tiedje, T., Gordon, R., Darcie, T. E. Nanoplasmonic Terahertz Photoconductive Switch on GaAs. Nano Lett. 12, 6255-6259 (2012).
  26. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Performance Enhancement in Photoconductive Terahertz Optoelectronics by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. Nature Communications. 4, 1622 (2013).
  27. Wang, N., Berry, C. W., Hashemi, M. R., Jarrahi, M. Plasmonic photoconductive detectors for enhanced terahertz detection sensitivity. Optics Express. , In Press (2013).
  28. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Analysis of periodic metallic nano-slits for efficient interaction of terahertz and optical waves at nano-scale dimensions. J. Appl. Phys. 109, 084326 (2011).
  29. Hsieh, B. -Y., Wang, N., Jarrahi, M. Toward Ultrafast Pump-Probe Measurements at the Nanoscale. Special Issue of "Optics in 2011. Optics & Photonics News. 22, (2011).
  30. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Simultaneous focusing of terahertz and optical waves into nano-scale. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  31. Jackson, A. W., Ibbetson, J. P., Gossard, A. C., Mishra, U. K. Reduced thermal conductivity in low-temperature grown GaAs. Appl. Phys. Lett. 74, 2325-2327 (1999).

Tags

Fysikk elektroteknikk informatikk materialteknologi elektronikk og elektroteknikk Instrumentering og Fotografi Lasere og masere Optikk Solid-State Physics Terahertz Plasmonic Time-Domain spektroskopi Photoconductive Emitter elektronikk
Design, Fabrikasjon, og eksperimentell karakterisering av Plasmonic Photoconductive Terahertz Sendere
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Berry, C., Hashemi, M. R., Unlu, M., … More

Berry, C., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters. J. Vis. Exp. (77), e50517, doi:10.3791/50517 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter